CN113340818B - 一种自洽验证差分光谱仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自洽验证差分光谱仪和测量方法，通过设置一非偏振分束器，一束光实现斜入射反射差分模块测试，另一束光用来实现斜入射差分反射模块测试，本方法可实现秒级的宽光谱差分反射信号和反射差分信号的同时测量，基于两种测量信号建立相应模型，分别迭代反演得到薄膜厚度参量，利用同一时刻的薄膜厚度参量必然唯一这一实际属性，进行自洽验证，提升测量精度，可广泛应用于纳米薄膜的工业生长领域的化学气相沉积、分子束外延和旋涂等不同工艺的在线监测应用中。

Description

一种自洽验证差分光谱仪及测量方法

技术领域

本发明涉及纳米薄膜材料生长过程测试技术领域，涉及半导体纳米薄膜、二维材料、钙钛矿材料、金属有机框架材料的生长(包括外延生长、气相沉积以及旋涂工艺)过程的原位、实时、在线光学检测技术领域，尤其涉及一种自洽验证的差分光谱仪及测量方法。

背景技术

反射差分光谱法和差分反射法是两种常用的薄膜在线生长监测技术，反射差分光谱法通过测量薄膜对入射线偏振光的偏振态的改变实现对薄膜的晶态物性的测量，如各向异性分子的排列、晶轴方向等。在近似垂直入射情况下，反射差分信号ΔR/R的学表达式为：ΔR/R＝2(R_s-R_p)/(R_s+R_p)，其中，R_p和R_s分别是反射光p偏振分量和s偏振分量，只适用于各向异性薄膜的测量。在斜入射情况下，反射差分信号的数学表达式为：ΔR/R＝Δ_p-Δ_s＝(R_p-R_p0)/R_p0-(R_s-R_s0)/R_s0，其中R_p0和R_s0分别是在开始生长薄膜之前，裸衬底反射光的p偏振分量和s偏振分量。斜入射式反射差分系统的优点是对各向异性和各向同性薄膜均适用。根据上述定义，反射差分光谱技术通过利用差分算法，极大的抑制了衬底的信号贡献，如在近似垂直入射条件下，各向同性衬底的R_p＝R_s，衬底的反射差分信号ΔR/R＝0。在斜入射条件下，开始生之前通过相位调制器件，使得R_p0＝R_s0，即此时反射差分信号ΔR/R＝0。因此反射差分光谱技术的最大优点是对于表面/界面的物理性质高度敏感，十分适用于纳米厚度薄膜的测量。

差分反射光谱法通过对比裸衬底反射光和薄膜生长过程中反射光在不同时刻的差异实现对薄膜的光学反射/吸收物性的测量随着生长时间变化的演变规律，其数学表达式为：

ΔR(t)/R(t)＝(R(t)_sample-R(t₀)_substrate)/R(t₀)_substrate (1)

其中，R(t)_sample为在t时刻薄膜的反射率，R(t₀)_substrate为在t₀时刻裸衬底的反射率。

反射差分信号一般需要利用偏振光调制技术，具有较高的灵敏性和信噪比，但是为了获得宽光谱信号，需要利用波长扫描的方式，采集速度较慢，单次采集时间在分钟量级。而差分反射光谱相对比较简单，具有较高的时间分辨率。特别是在使用宽光谱光源时，差分反射信号的时间分辨率只受限于光谱仪采集速率，可以实现宽波段范围的高速采集，时间分辨率最高可达到毫秒量级。上述两种测量方法均是基于物理模型的反演，获得薄膜的厚度，测量精度取决于物理模型的拟合。但是在实际应用过程中，理想的物理模型并不能真正反映具体实验条件导致测量误差，如实验观察窗应力影响难以标定，通常在物理模型中进行忽略处理等。除此之外，光学干涉的周期性导致拟合结果不唯一，需要外加条件进行限制。本文设计新型光路系统，同时实现宽波段差分反射信号和单波长反射差分信号，可以继承各自的优点，在高速时间分辨力下同时实现薄膜的晶态物性和宽光谱反射/吸收物性的测量。针对获得两种信号分别建立相应的物理模型，利用反演算法，分别获得薄膜厚度参量，然后对分别获得的厚度参量进行比较和自洽验证，一直到两种信号获得厚度参量一直后，停止各自的拟合过程。这种在线自洽验证的方法，可以极大地提高薄膜厚度的测量精度。

发明内容

本发明提供了一种自洽验证差分光谱仪及测量方法，本发明同时实现反射差分信号和差分反射光谱快速测量光学技术，单波长通道的反射差分信号对薄膜厚度进行高灵敏探测，具有单原子层及亚单原子层测量分辨力，宽光谱差分反射信号对生长薄膜的吸收特性、成核状态、以及形貌进行实时在线的监测，利用两种信号各自拟合的厚度进行自洽验证，提高测量的准确性。本发明能够在秒级的时间分辨率下实时在线地记录生长过程，直接揭示薄膜生长过程机理，详见下文描述：

第一方面，一种自洽验证差分光谱仪，所述光谱仪包括：入射臂组件、差分反射模块组件、反射差分模块组件，

所述入射臂组件包括：宽光谱白光光源发射发散角较大得光束、经准直透镜组后，汇聚成平行光束，然后经起偏器，变成线性偏振光，再经安装在精密旋转台上的半波片，光束变成线偏振光或椭圆偏振光；

所述差分反射模块组件依次包括：反射光束经斩波器，实现光路的周期性阻断和通过，然后经第二汇聚透镜组，由平行光束变成汇聚光束，然后由光谱仪探测器将光信号转换为电信号；

所述反射差分模块组件包括：反射光束经滤波片变为单波长光束后，依次经光弹调制器和检偏器，进行光学偏振调制，然后经第一汇聚透镜组，由平行光变成汇聚光束，再由高频光电探测器将光信号转换为电信号。

第二方面，一种自洽验证差分光谱测量方法，所述方法实现了斜入射式反射差分信号和斜入射式差分反射信号的同时测量，所述方法包括以下步骤：

样品反射后的反射光，经过非偏振分束器，其中传播方向发生90°转折的光线经过斩波器、第二汇聚透镜组，进入光谱仪探测器，用于获取差分反射信号；

传播方向未发生改变的光束依次经过滤波片、光弹调制器、检偏器和第一汇聚透镜组，被光电倍增管探测器收集，用于获取反射差分信号；

针对反射差分信号和差分反射信号分别建立相应物理模型，经过迭代反演，分别得到薄膜厚度参量，对2种厚度参量进行比较，进行自洽验证。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1)差分反射光谱与反射差分信号的同时测量：通过非偏振分束器的引入，将从样品表面反射的光束分成两束光，分别用来实现差分反射信号和反射差分信号的测量；

2)在薄膜厚度测量方面：对宽波段差分反射信号反演获得的薄膜厚度和反射差分信号反演获得的薄膜厚度进行自洽验证，自动改变物理模型的迭代过程、限制条件和最优化算法，以此极大地提升基于物理模型的薄膜厚度在线测量的精度；

3)在测量速度方面，单次采集时间最快至毫秒级：利用宽光谱白光作为光源，差分反射光谱的采集时间取决于所采用的宽光谱光谱仪的采集时间，同时，反射差分信号工作在单波长模式，采集时间仅受限于探测器的工作频率；差分反射光谱的采集和反射差分信号的采集是相互独立并行进行，为此采集一次差分反射光谱和反射差分信号的时间最快可达到毫秒级；

4)在测量功能方面：得益于利用唯一薄膜厚度的自洽验证，修正物理模型，提升了利用宽波段差分反射信号获得生长薄膜的吸收特性、成核状态、以及形貌的物理解释准确性。

附图说明

图1为一种自洽验证差分光谱仪的结构示意图；

图2为开始生长前标定流程图；

图3基于厚度参量的自洽验证步骤的流程图；

图4为仿真计算二硫化钼在蓝宝石(0001)衬底上生长过程中反射差分信号随着厚度变化规律示意图；

图5为仿真计算单层二硫化钼在蓝宝石(0001)衬底上生长时的差分光谱演变示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：宽光谱光源； 2：准直透镜组；

3：起偏器； 4：精密旋转台；

5：半波片； 6：入射观察窗；

7：生长腔支撑机构； 8：生长反应腔；

9：样品； 10：生长腔机械支撑机构；

11：反射观察窗； 12：非偏振分束器；

13：滤波片； 14：光弹调制器；

15：检偏器； 16：第一汇聚透镜组；

17：高频光电探测器； 18：反射差分模块测量臂组件；

19：斩波器； 20：第二汇聚透镜组；

21：光谱仪探测器； 22：差分反射模块测量臂组件；

23：入射臂组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种自洽验证差分光谱仪，参见图1，该光谱仪包括：入射臂组件23、差分反射模块测量臂组件22、反射差分模块测量臂组件18其中，

入射臂组件23依次包括：宽光谱白光光源1、准直透镜组2、偏振片3、半波片5；

差分反射模块测量臂组件22依次包括：斩波器19、第二汇聚透镜组20、光谱仪探测器21；

反射差分模块测量臂组件18依次包括：滤波片13、光弹调制器14、检偏器15、第一汇聚透镜组16、高频光电探测器17。

其中，自洽验证差分光谱仪包括：

差分反射的模块的测量光路设置一半周期通过的斩波器19，通过控制斩波器19的频率，实现光路的阻断和通过，实现环境背景噪声和测量信号的分别测量。

通过斩波器19的设置可以实时测试环境杂散光光谱，利用算法消除环境噪声和光谱仪探测器的光子噪声，增强了差分反射信号的环境抗干扰能力。

其中，斩波器19的设置只是为了提高差分反射信号的信噪比和抗干扰能力，不影响主要测试功能，在对信噪比要求不高的应用中，可以省略掉斩波器19的设置。

入射臂组件23的特征包括：半波片5安装在精密旋转台4上，控制精密旋转台4获得高精度零反射差分信号。起偏器3的方位角为0°，光弹调制器14的方位角为45°，检偏器15的方位角为0°，这里起偏器3、光弹调制器14、检偏器15的方位角不是严格数值，只要保证三个器件的方位角误差相对是0°，45°，和0°即可。

一种自洽验证差分光谱测量方法，参见图2-图4，该方法包括以下步骤：

1)经过准直的光束垂直入射到起偏器3后，光束经过安装在精密旋转座4的半波片5，穿过生长装置的入射观察窗6，斜入射到样品9上，样品放置于由生长腔支撑机构7，10和生长腔8构成的密闭环境中，可以是正气压环境也可以是负气压环境；

2)经过样品9反射后得反射光，穿过反射观察窗11，经过非偏振分束器12，其中传播方向发生90°转折的光线经过第一汇聚透镜组16，进入光谱仪探测器21，用来获取差分反射信号；

3)传播方向未发生改变的光束依次经过滤波片13、光弹调制器14、检偏器15和第二汇聚透镜组20，被高频光电探测器17收集，用来获取反射差分信号。

可实现斜入射式反射差分信号和斜入射式差分反射信号的同时测量。

具体实现时，差分反射光谱的测试步骤包括：

1)在薄膜开始生长前，控制斩波器19实现差分反射模块测量臂的光路的导通和阻断，分别采集衬底反射光谱R_substrate(t₀)和系统噪声光谱R_b(t₀)；

2)开始生长后，在斩波器19旋转一周内，分别采集样品的反射谱R_sample(t)和系统噪声光谱R_b(t)；

3)在生长过程中，任一时刻t计算差分反射光谱的公式为：

具体实现时，反射差分信号的测试步骤包括：

1)利用滤波片13选择测试波长；

2)通过半波片5的设置，使得此测量波长的相位延迟值为π；

3)在开始生长之前，通过旋转半波片5的方位角，使得高频光电探测器二倍基频率分量的系数为零，确定半波片的方位角H₀，此时：

|r_p0|²cos²(2H₀)＝|r_s0|²cos²(2H₀) (3)

其中，r_p0是反射光的p偏振量，r_s0是反射光的s偏振分量。

在开始生长后，反射差分信号的获得公式为：

其中，S_2f为探测器频率为100kHz分量的系数，I_inc为光弹调制器未施加调制时探测器的光强，J₂为二阶贝塞尔函数展开，δ_m为光弹调制器的相位延迟值。

实施例1

本发明实施例提供了一种自洽验证差分光谱仪，该光谱仪用于实现在薄膜生长过程中薄膜生长厚度及形态的监测，参见图1，该光谱仪包括：

宽光谱光源1，用于提供非偏振宽光谱光束，可以选择为氙灯或白光LED等；准直透镜组2，对由光纤传输的光源出射的光束进行处理，产生平行入射光束，可以选择离轴抛物镜或凸透镜组构成的无限远光学系统；起偏器3，对非偏振入射光施加线偏振特性；精密旋转台4，对半波片进行面内高精度旋转；半波片5，对入射光调制π相位延迟；样品9，支撑纳米薄膜生长的衬底；非偏振分束器12，将从样品反射的光分成两束光，一束作为反射差分测量，另一束作为差分反射测量；滤波片13，用于选择反射差分信号的测量波长；光弹调制器14，对反射差分信号测量光束进行50kHz的高频调制；检偏器15，对携带样品信号的反射差分测量光束检偏；第一汇聚透镜组16，汇聚反射差分模块测量臂的测量光束，可以选择凹面镜组或离轴抛物镜；高频光电探测器17，用于接收反射差分测量光信号并转换成电信号，可以选择光电倍增管；斩波器19控制反射光路的周期性通过和阻断；第二汇聚透镜组20，汇聚差分反射模块的测量光束，可以选择凹面镜组或离轴抛物镜；光谱仪探测器21，接收差分反射模块测量臂的光路信号

在具体实施例中，宽光谱光源1、准直透镜组2、起偏器3、精密旋转台4、半波片5依次构成入射臂组件23；

在具体实施例中，滤波片13，光弹调制器14，检偏器15，第一汇聚透镜组16，高频光电探测器17依次构成反射差分模块测量臂组件18。

在具体实施例中，斩波器19，第二汇聚透镜组20和光谱仪探测器21构成差分反射模块接收臂组件22。

实施例2

本发明实施例提供了一种自洽验证差分光谱测量方法，用于薄膜生长过程的原位实时监测，测量步骤包括：

对于反射差分信号，在开始生长前，对设备进行标定，也即是获得零反射差分信号的过程，步骤如图2所示，具体原理如下：

1)利用滤波片13选择测试波长；

2)通过控制安装半波片5的精密旋转台4，旋转半波片5的方位角；

3)经过样品9的反射光线经过光弹调制器14后，获得50kHz频率的相位调制；

4)利用高频光电探测器，探测实时接收反射光线的光强；利用快速傅里叶变换算法，获得高频光电探测器中二倍频率分量，当二倍频分量的系数最接近零信号时，并保持此时半波片5的方位角数据，至此完成仪器的标定过程。

在具体实施例中，对于反射差分信号，开始薄膜生长后，对探测器探测的电信号做快速傅里叶变换，得到二倍频信号的系数S_2f；

在具体实施中，利用上述公式(4)得到反射差分信号ΔR/R。

具体实现时，差分反射信号的测量方法为：

在薄膜开始生长前，控制差分反射模块的斩波器19，实现差分反射模块测量臂中光路的导通和阻断，分别采集衬底反射光谱R_substrate(t₀)和系统噪声光谱R_b(t₀)；

开始生长后，在斩波器19旋转一周内，分别采集样品的反射谱R_sample(t)和系统噪声光谱R_b(t)。

在生长过程中任一时刻t的计算差分反射光谱的公式为：

在利用公式(4)和公式(5)分别获得反射差分信号和差分反射信号后，分别建立物理模型，迭代拟合，反演得到薄膜厚度并对比，如果两种测量方法得到的薄膜厚度结果不唯一，将继续修正各自的物理模型，包括初始值、边界条件、薄膜及衬底的介电常数、限制条件以及最优化算法等。利用这种自洽验证功能，提升物理模型的准确的，实现其它物性的测量。具体步骤如图3所示。

实施例3

以利用化学气相沉积法生长二硫化钼薄膜为例，利用蓝宝石作为衬底，斜入射角度为83°，测试波长为632纳米时，反射差分信号随着二硫化钼薄膜的层数的变化规律如图4所示，单层二硫化钼在生长过程中的宽波段差分反射光谱的演变规律如图5所示。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：入射臂组件、差分反射模块组件、反射差分模块组件，

所述入射臂组件包括：宽光谱白光光源发射发散角大的光束、经准直透镜组后，汇聚成平行光束，然后经起偏器，变成线性偏振光，再经安装在精密旋转台上的半波片，光束变成线偏振光或椭圆偏振光；

所述差分反射模块组件依次包括：反射光束经斩波器，实现光路的周期性阻断和通过，然后经第二汇聚透镜组，由平行光束变成汇聚光束，然后由光谱仪探测器将光信号转换为电信号；

所述反射差分模块组件包括：反射光束经滤波片变为单波长光束后，依次经光弹调制器和检偏器，进行光学偏振调制，然后经第一汇聚透镜组，由平行光变成汇聚光束，再由高频光电探测器将光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述差分反射模块组件还包括：设置一半周期通过的斩波器，通过控制所述斩波器的频率，实现光路的阻断和通过，进而实现环境背景噪声和测量信号的测量。

3.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述半波片安装在旋转台上，控制所述旋转台获得零反射差分信号。

4.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述起偏器的方位角为0°，所述光弹调制器的方位角为45°，所述检偏器的方位角为0°。

5.一种自洽验证差分光谱测量方法，其特征在于，通过设置一非偏振分束器，所述方法实现了斜入射式反射差分信号和斜入射式差分反射信号的同时测量，所述方法包括以下步骤：

样品反射后的反射光，经非偏振分束器，其中传播方向发生90°转折的光线经第二汇聚透镜组后进入光谱仪探测器，用于获取差分反射信号；

传播方向未发生改变的光束依次经滤波片、光弹调制器、检偏器和第一汇聚透镜组，被高频光电探测器收集，用于获取反射差分信号；

针对反射差分信号和差分反射信号分别建立相应物理模型，经过迭代反演，分别得到薄膜厚度参量，对2种厚度参量进行比较，进行自洽验证。

6.根据权利要求5所述的一种自洽验证差分光谱测量方法，其特征在于，所述用于获取差分反射信号具体为：

在薄膜开始生长前，通过斩波器控制差分反射模块组件的导通和阻断，分别采集衬底反射光谱R_substrate(t₀)和噪声光谱R_b(t₀)；

开始生长后，在斩波器旋转一周内，分别采集样品的反射谱R_sample(t)和噪声光谱R_b(t)；

在生长过程中任一时刻t，计算差分反射光谱的公式为：

7.根据权利要求5所述的一种自洽验证差分光谱测量方法，其特征在于，所述获取反射差分信号具体为：

利用滤波片选择测试波长；通过半波片的设置，使得此测量波长的相位延迟值为π；

生长之前，通过旋转半波片的方位角，使得探测器二倍基频率分量的系数为零时半波片的方位角H₀为：|r_p0|²cos²(2H₀)＝|r_s0|²cos²(2H₀)；

生长过程中，反射差分信号的获得公式为：

其中，S_2f为探测器频率为100kHz分量的系数，r_p0是反射光的p偏振量，r_s0是反射光的s偏振分量，I_inc为光弹调制器未施加调制时探测器的光强，J₂为二阶贝塞尔函数展开，δ_m为光弹调制器的相位延迟值。

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